(57)【要約】【課題】  光ファイバとボールレンズとの調芯をより容易にかつより精度良く行うことができるボールレンズ固定構造を得る。【解決手段】  二つの基板２，３を接合し、それら二つの基板２，３の接合面２ａ，３ａの各々に設けた溝（２ｂと３ｂ）同士を合わせて、空洞部４を形成し、当該空洞部４に、その中心軸８に対して上下対称に配置される一対のバネ１９を含む第一のバネ構造体を設けるとともに、当該中心軸８に対して左右対称に配置される一対のバネ９を含む第二のバネ構造体を設け、ボールレンズ６を、それら第一および第二のバネ構造体によって狭持固定するようにした。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの基板を接合し、
それら二つの基板の接合面の各々に設けた溝同士を合わせて、空洞部を形成し、
前記空洞部に、当該空洞部の中心軸に対して上下対称に配置される一対のバネを含む第一のバネ構造体を設けるとともに、当該中心軸に対して左右対称に配置される一対のバネを含む第二のバネ構造体を設け、
ボールレンズを、前記第一および第二のバネ構造体によって狭持固定するようにしたことを特徴とするボールレンズ固定構造。
【請求項２】
前記二つの基板の接合面に同じ形状の溝を設けたことを特徴とする請求項１に記載のボールレンズ固定構造。
【請求項３】
前記第一および第二のバネ構造体のうち少なくともいずれか一方を、その一端を基板に固定した片持ち梁状のバネの対として形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のボールレンズ固定構造。
【請求項４】
基板をＳＯＩ基板とし、前記片持ち梁状のバネを、当該基板に形成した酸化膜層をエッチングして除去することにより形成したことを特徴とする請求項３に記載のボールレンズ固定構造。
【請求項５】
前記片持ち梁状のバネに、その表裏面を貫通する穴を設けたことを特徴とする請求項４に記載のボールレンズ固定構造。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一つに記載のボールレンズ固定構造にボールレンズおよび光ファイバを装着してなるレンズ付き光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野等で使用される光デバイスの入出力部等で用いられるボールレンズ固定構造、およびレンズ付き光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年拡大が進む光ファイバネットワークでは、様々な光デバイスが実用化されている。これら光デバイスの入出力部には、ボールレンズが用いられる場合があるが、この場合、光ファイバとボールレンズとの位置合わせ（調芯）を精度良く行うことが肝要となる。芯ずれが生じると、損失値が増大するからである。一例として、ボールレンズの直径が４００μｍで、屈折率が１．４８（材質：ガラス）である場合、芯ずれが２．８μｍになると、損失が２ｄＢ悪化してしまう。ここで、市販されている一般的なボールレンズの寸法精度は３μｍ〜１０μｍであるから、かかるボールレンズを無造作に取り付けたのでは、芯ずれに伴う損失値の増大が避けられない。
【０００３】
そこで、従来から、実際に光を通しながら損失が最も小さくなる位置関係を探して、その位置に固定する方法（所謂アクティブアライメント法）が採用されている。光ファイバの先端部にボールレンズを装着したレンズ付きファイバについても、この方法が採用される場合がほとんどである。しかし、アクティブアライメント法では、上記調芯作業を行うのに手間がかかり製造コストの増大を招くという問題があった。
【０００４】
このため、予め固定位置を決定する構造を設けておき、上述したような調芯作業を行うことなくボールレンズを所定位置に設置する方法（所謂パッシブアライメント法）が採用される場合もある（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−２５３５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、パッシブアライメント法では、上記固定位置を決定する構造の位置や形状の精度を向上させるのが難しい場合が多い。特許文献１の場合には、光ファイバの先端部に位置精度良く嵌合空洞部を形成するのが難しく、損失を低減しにくくなるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、光ファイバとボールレンズとの調芯をより容易にかつより精度良く行うことができるボールレンズ固定構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明にかかるボールレンズ固定構造にあっては、二つの基板を接合し、それら二つの基板の接合面の各々に設けた溝同士を合わせて、空洞部を形成し、上記空洞部に、当該空洞部の中心軸に対して上下対称に配置される一対のバネを含む第一のバネ構造体を設けるとともに、当該中心軸に対して左右対称に配置される一対のバネを含む第二のバネ構造体を設け、ボールレンズを、上記第一および第二のバネ構造体によって狭持固定するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明にかかるボールレンズ固定構造にあっては、上記二つの基板の接合面に同じ形状の溝を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明にかかるボールレンズ固定構造にあっては、上記第一および第二のバネ構造体のうち少なくともいずれか一方を、その一端を基板に固定した片持ち梁状のバネの対として形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明にかかるボールレンズ固定構造にあっては、基板をＳＯＩ基板とし、上記片持ち梁状のバネを、当該基板に形成した酸化膜層をエッチングして除去することにより形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明にかかるボールレンズ固定構造にあっては、上記片持ち梁状のバネに、その表裏面を貫通する穴を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明にかかるレンズ付き光ファイバにあっては、上記ボールレンズ固定構造にボールレンズおよび光ファイバを装着してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、二つの基板を接合してなるボールレンズ固定構造において、ボールレンズを、上下方向および左右方向の双方について、第一および第二のバネ構造体によって狭持固定するようにしたため、より精度良くかつより容易にボールレンズを光ファイバに位置合わせすることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、二つの基板で溝の形状を同一としたことにより、ボールレンズ固定構造を、より容易にかつより安価に製造することができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、上記バネ構造体を、片持ち梁状のバネの対としたため、比較的容易にバネ構造体を形成することができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、ＳＯＩ基板の酸化膜層をエッチングして除去することにより、上記片持ち梁状のバネを比較的容易にかつ精度良く形成することができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、上記穴を設けたため、バネとなる部分の裏側に形成した酸化膜層までエッチャントをより迅速に到達させ、酸化膜層の除去をより迅速に行うことができる。
【００１８】
請求項６の発明によれば、上記ボールレンズ固定構造を用いて調芯することにより、より容易にかつより安価に、より精度良く調芯されたレンズ付き光ファイバを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
（第１実施形態）図１は、本実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）、図２は、ボールレンズ固定構造の断面図（溝の延伸方向に沿い基板表面に垂直な断面での断面図；図１のＡ−Ａ断面図）、図３は、ボールレンズ固定構造の断面図（図２のＢ−Ｂ断面を示す図）、図４は、光ファイバおよびボールレンズを所定の取付位置に装着したボールレンズ固定構造の基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）である。なお、本明細書では、便宜上、基板の積重方向（図２および図３における上下方向）を上下方向と規定する。
【００２１】
本実施形態では、同一形状の二つの基板（例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板）２，３が接合されて、ボールレンズ固定構造１が構成されている。
【００２２】
図１に示すように、二つの基板２，３の接合面２ａ，３ａには、それぞれ、相互に同一形状の平面視矩形状の溝２ｂ，３ｂと、前記溝より狭い平面視矩形状の溝２ｃ，３ｃとが形成されている。そして、図２および図３に示すように、二つの基板２，３を接合したときに、それら対応する溝同士が合わせられて空洞部４，５が形成される。なお、二つの基板２，３を接合する際の位置合わせは、基板２，３の側端面を治具の平面に突き当てるなどにより、容易にかつ精度良く行うことができる。
【００２３】
空洞部４は、基板２，３の一端側に設けられる開口部４ａから端面４ｂまで、大きさが一定の正方形断面を有するように形成される。
【００２４】
空洞部４の一対の側壁４ｃには、それぞれ、同一形状のバネ９が形成され、これら一対のバネ９によりバネ構造体（第二のバネ構造体）が構築されている。本実施形態では、バネ９は、開口部４ａ側（図１では左側）を固定された平面視矩形の片持ち梁状に形成されている。このバネ９は、公知の半導体プロセスによって形成することができる。例えば、バネ９の裏面側（図１においてバネ９に対して中心軸８の反対側）、側面側（図３においてバネ９に対して中心軸８の反対側）、および先端面側（図１においてバネ９の右側）となる部分１０に酸化膜層を形成しておき、液体状のエッチャントを用いた所謂ウエットエッチング法によって、この部分の酸化膜層を消失させ、片持ち梁状のバネ９を得ることができる。
【００２５】
この第二のバネ構造体の一対のバネ９は、中心軸８（または中心軸８を含む接合面２ａ，３ａに垂直な平面）について対称に形成される。高精度な微細加工が可能な半導体プロセスを用いて形成することにより、所期の位置および形状に精度良く形成することができる。
【００２６】
なお、これら一対のバネ９が第二のバネ構造体としてボールレンズ６を左右方向に狭持することができるよう、バネ９の当接面同士の間隔は、ボールレンズ６の直径の個体差ばらつきの下限値（直径）より僅かに狭く設定してある。
【００２７】
一方、空洞部４の一対の上壁４ｄおよび下壁４ｄには、それぞれ、同一形状のバネ１９が形成され、これら一対のバネ１９によりバネ構造体（第一のバネ構造体）が構築されている。本実施形態では、バネ１９は、開口部４ａ側（図１では左側）を固定された平面視矩形の片持ち梁状に形成されている。このバネ１９も、公知の半導体プロセスによって形成することができる。例えば、バネ１９の裏面側（図２または図３においてバネ１９に対して中心軸８の反対側）、側面側（図３においてバネ１９の左右側）、および先端面側（図２においてバネ１９の右側）となる部分１０に酸化膜層（埋め込み酸化膜１１を含む）を形成しておき、液体状のエッチャントを用いた所謂ウエットエッチング法によって、この部分の酸化膜層を消失させ、片持ち梁状のバネ１９を得ることができる。
【００２８】
ここで、相互に接合される二つの基板２，３は全く同一の形状であり、空洞部４を構成する溝２ｂ，３ｂも全く同一の形状に形成される。よって、空洞部４の上下方向（基板２，３の積重方向）の中心軸８は、基板２，３の接合面２ａ，３ａに位置することになる。
【００２９】
なお、これら一対のバネ１９が、第一のバネ構造体として、ボールレンズ６を上下方向に狭持することができるよう、バネ１９の当接面同士の間隔は、ボールレンズ６の直径の個体差ばらつきの下限値（直径）より僅かに狭く設定してある。
【００３０】
一方、この空洞部４に連接して形成される空洞部５は、空洞部４の端面４ｂに設けられる連通部５ａと開口部４ａの他方側の基板２，３の端部側に設けられる開口部５ｂとを結び、大きさが一定の正方形断面（但し、空洞部４より小さい断面）を有するように形成される。この空洞部５は、その中心軸８が、空洞部４の中心軸８と同じになるように形成される。
【００３１】
ここで、図４に示すように、空洞部５は光ファイバ７の挿入部として用いられる。光ファイバ７の中心軸が空洞部５の中心軸８と一致するよう、空洞部５の正方形断面の各辺の長さは、光ファイバ７の直径と同じにしてある。
【００３２】
一方、図４に示すように、空洞部４はボールレンズ６の挿入部として用いられる。ボールレンズ６は、空洞部４内において、第一のバネ構造体としての一対のバネ９によって左右方向に狭持されるとともに、第二のバネ構造体としての一対のバネ１９によって上下方向に狭持される。ここで、第一および第二のバネ構造体は、それぞれ、中心軸８について対称に形成されており、各バネ構造体で対をなす二つのバネ９，１９のバネ定数は等しいから、これらバネ構造体に狭持されるボールレンズ６の中心は、その大きさによらず、中心軸８に位置することになる。
【００３３】
したがって、空洞部４に開口部４ａ側から挿入されたボールレンズ６の中心は、空洞部５に配置された光ファイバ７の中心軸（および光ファイバ７の先端部７ａの中心）８に位置することになる。すなわち、本実施形態にかかるボールレンズ固定構造１を用いることで、ボールレンズ６と光ファイバ７とが精度良く調芯された構造を、極めて容易に得ることができる。なお、空洞部４，５の中心軸８は、光ファイバ７の中心軸、すなわち光学中心軸に相当するものとなる。
【００３４】
かかるボールレンズ固定構造１は、図４の状態で固定して、レンズ付き光ファイバ２０として用いられる。
【００３５】
ところで、基板２，３は、溝２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃやバネ９，１９を形成した後、中間層を介在させないウエハ接合法（ウエハ直接接合法）を用いて接合するのが好適である。中間層を介在させると、空洞部４，５の断面形状の正方形に対する形状誤差が増大し、位置合わせ精度が低下するおそれがあるからである。
【００３６】
かかるウエハ接合法としては、フュージョンボンディングや、表面活性化接合等がある。フュージョンボンディングは、親水化されたシリコン等の基板をまず水素結合で貼り合わせた後に加熱処理をして、Ｓｉ−Ｓｉ結合によって基板同士を接合する技術である。他方、表面活性化接合は、接合面に所定の表面処理を施して接合面の原子を化学結合しやすい活性状態とし、Ｓｉ−Ｓｉ結合によって基板同士を接合する技術である。後者の場合、より低い温度（例えば常温）で結合させることができるため、熱膨張に起因するずれを低減できると期待される。
【００３７】
また、基板２，３の接合面２ａ，３ａに形成する溝２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃは、ドライエッチング法を用いて形成することができる。ドライエッチング法は、ウエットエッチング法に比べて異方性が高く、基板２，３の表面に所定幅の矩形の溝を精度良く形成するのに適している。
【００３８】
以上の本実施形態によれば、二つの基板２，３を接合してなるボールレンズ固定構造１において、ボールレンズ６を、上下方向および左右方向の双方について、第一および第二のバネ構造体によって狭持固定するようにしたため、より精度良くかつより容易にボールレンズ６を光ファイバ７に位置合わせすることができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、二つの基板２，３で溝の形状を同一としたことにより、ボールレンズ固定構造１を、より容易にかつより安価に製造することができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、上記バネ構造体を、片持ち梁状のバネ９，１９の対としたため、比較的容易にバネ構造体を形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、ＳＯＩ基板の酸化膜層をエッチングして除去することにより、上記片持ち梁状のバネ９，１９を比較的容易にかつ精度良く形成することができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、上記ボールレンズ固定構造１を用いて調芯することにより、より容易にかつより安価に、より精度良く調芯されたレンズ付き光ファイバ２０を得ることができる。
【００４３】
（第２実施形態）図５は、本実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）である。なお、本実施形態では、上記第１実施形態にかかるボールレンズ固定構造と同様の構成要素を有している。よって、それらについては同じ符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００４４】
本実施形態にかかるボールレンズ固定構造１Ａは、基板２Ａに設けた平面視で矩形状のバネ１９Ａに穴１２を設けている。この穴１２は、バネ１９Ａを表裏方向に貫通するように設けられている。したがって、この穴１２を経由してバネ１９Ａの裏側（中心軸８の反対側）に形成した酸化膜層までエッチャントがより迅速に到達し、酸化膜層の除去をより迅速に行うことができるようになる。なお、バネ１９Ａの厚みや大きさ等とともに、穴１２の位置や数、大きさ等を設定することで、バネ１９Ａによる押圧力（バネ定数）を調節することも可能である。穴１２の位置や大きさを、バネ１９Ａの位置に応じて変化させるようにしてもよい。なお、他のバネ（バネ９Ａ等）をバネ１９Ａと同様の形状としてもよい。
【００４５】
（第３実施形態）図６は、本実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）である。なお、本実施形態でも、上記各実施形態にかかるボールレンズ固定構造と同様の構成要素を有している。よって、それらについては同じ符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００４６】
本実施形態にかかるボールレンズ固定構造１Ｂは、基板２Ｂに設けたバネ１９Ｂを略矩形の渦巻き状に形成したものである。本実施形態によれば、最も撓み量が大きくなる渦巻きの中心にボールレンズ６が自動的に配置されるようになるため、中心軸８に沿う方向についても、ボールレンズ６の固定位置を設定することができるようになる。また、本実施形態の場合も、渦巻きの隙間１３を介してバネ１９Ｂの裏側（中心軸８の反対側）に形成した酸化膜層までエッチャントがより迅速に到達し、酸化膜層の除去をより迅速に行うことができるようになる。なお、バネ１９Ｂの厚みや大きさ等とともに、渦巻きの幅や形状等を設定することで、バネ１９Ｂによる押圧力（バネ定数）を調節することも可能である。渦巻きの幅や位置を、バネ１９Ｂの位置に応じて変化させるようにしてもよい。なお、他のバネ（バネ９Ｂ等）をバネ１９Ｂと同様の形状としてもよい。
【００４７】
（第４実施形態）図７は、本実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）である。なお、本実施形態でも、上記各実施形態にかかるボールレンズ固定構造と同様の構成要素を有している。よって、それらについては同じ符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００４８】
本実施形態では、接合する二つの基板２Ｃ，３Ｃに、上記第１実施形態にかかるボールレンズ固定構造１（すなわち溝２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃおよびバネ９，１９を含む第一および第二のバネ構造体の組）を平行に複数並べて形成したものである。そして、複数形成された空洞部４，５のそれぞれに、ボールレンズ６および光ファイバ７を固定して、調芯されたレンズ付き光ファイバアレイ２０Ａを構築している。
【００４９】
本実施形態によれば、ボールレンズ６と光ファイバ７とが精度良く調芯されたレンズ付き光ファイバアレイを、調芯作業を必要とせず、容易に得ることができる。これにより、光デバイスの入出力部を一括して形成することができるようになり、別個に形成して組み合わせる場合に比べてコスト的に有利になる。
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で前記実施形態に種々の改変を施すことができる。例えば、このボールレンズ固定構造を利用するデバイス等を、同じ基板内に形成することも可能である。その場合、当該デバイスとボールレンズ固定構造との間でも調芯作業を行う必要が無くなるという利点がある。また、光ファイバとボールレンズとが接触する構成とする場合、その接続面に反射防止膜を形成するようにしてもよい。また、上記実施形態では、酸化膜層をウエットエッチング法によって除去する手法について例示したが、可能である部分については、ドライエッチング法を用いてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第一実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）。
【図２】本発明の第一実施形態にかかるボールレンズ固定構造の断面図（溝の延伸方向に沿い基板表面に垂直な断面での断面図；図１のＡ−Ａ断面図）。
【図３】本発明の第一実施形態にかかるボールレンズ固定構造の断面図（図２のＢ−Ｂ断面を示す図）。
【図４】光ファイバおよびボールレンズを所定の取付位置に装着した本発明の第一実施形態にかかるボールレンズ固定構造（レンズ付き光ファイバ）の基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）。
【図５】本発明の第二実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）。
【図６】本発明の第三実施形態にかかるボールレンズ固定構造を構成する基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）。
【図７】光ファイバおよびボールレンズを所定の取付位置に装着した本発明の第四実施形態にかかるボールレンズ固定構造（レンズ付き光ファイバ）の基板の平面図（二つの基板の接合面のうちいずれか一方を見た平面図）。
【符号の説明】
【００５２】
１，１Ａ，１Ｂ  ボールレンズ固定構造
２，３，２Ａ，３Ａ，２Ｂ，３Ｂ，２Ｃ，３Ｃ  基板
２ａ，３ａ  接合面
２ｂ，３ｂ  溝
４  空洞部
６  ボールレンズ
７  光ファイバ
８  中心軸（光学中心軸）
９  （第二のバネ構造体の）バネ
１１  埋め込み酸化膜（酸化膜層）
１２  穴
１９  （第一のバネ構造体の）バネ
２０  レンズ付き光ファイバ
２０Ａ  レンズ付き光ファイバ（アレイ）
【図１】
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【図２】
2006146070.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006146070.tif 000008
【図７】
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